蔣維卿，么興榮，王 帆，孫雪健，劉松林，劉軒彤,邊德軍

(1. 長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012；2. 吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130012)

隨著污水成分的日益復(fù)雜以及污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，傳統(tǒng)單一處理工藝的處理效果難以達(dá)到排放要求，人們開始對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改造或?qū)⒉煌墓に囘M(jìn)行組合聯(lián)用來提高處理效率。生物膜法是一種較為常見的生物處理法，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、占地面積小、出水水質(zhì)好，在污水處理中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。生物膜耦合工藝是將生物膜與其他污水處理工藝組合，在同一反應(yīng)空間內(nèi)完成污水處理過程，可以在現(xiàn)有的工藝上通過投加填料載體或直接接種特異性菌種形成生物膜的方法進(jìn)行改造，無需增建反應(yīng)池，具有操作方便靈活、基建費(fèi)用較低等優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)污水處理工藝升級(jí)改造中得到了越來越多的應(yīng)用。

生物膜-活性污泥耦合工藝是在同一反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)生物膜與活性污泥的共存，與傳統(tǒng)的生物接觸氧化法不同，耦合工藝通常設(shè)有污泥回流裝置。一般在傳統(tǒng)活性污泥工藝曝氣池中投加填料作為微生物附著的載體，也有少數(shù)會(huì)研究在厭氧區(qū)投加填料載體的處理效果[2]。生物膜-電極法(BER)是將生物膜直接固定在電極表面，或在兩塊電極板之間投加生物膜載體構(gòu)成耦合系統(tǒng)，結(jié)合了生物膜法固著微生物進(jìn)行生物降解和電化學(xué)法較高的氧化還原能力，達(dá)到對(duì)有機(jī)污染物的協(xié)同降解作用[3]。生物膜-膜處理耦合工藝根據(jù)膜功能形式的不同主要分為3種：(1)在傳統(tǒng)的微濾或超濾膜處理系統(tǒng)中投加載體使生物膜附著，實(shí)現(xiàn)生物膜與膜過濾技術(shù)的耦合；(2)膜曝氣生物反應(yīng)器(MABR)，其中，氣體分離膜同時(shí)作為載體和曝氣裝置為微生物提供附著場(chǎng)所和氧源[4]；(3)萃取膜生物反應(yīng)器(EMBR)，萃取膜隔離廢水與微生物，形成污水循環(huán)和生物處理兩部分，在生物處理一側(cè)，微生物附著在萃取膜上形成生物膜。萃取膜提取特定的污染物進(jìn)行處理，對(duì)微生物有害的物理、化學(xué)因素被萃取膜隔離，不會(huì)影響到生物降解[5]。

本文綜述了以上3種研究應(yīng)用較多的生物膜耦合工藝的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，以及其在污水處理中的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)生物膜耦合工藝未來的發(fā)展方向進(jìn)行探討，以期可以為該工藝的研究和推廣應(yīng)用提供一定的參考。

1 生物膜-活性污泥耦合工藝

1.1 優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)的活性污泥法或生物膜法，填料的投加顯著提高了耦合系統(tǒng)中的生物量，生物群落結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，使耦合工藝具有較好的去除效果和較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。生物膜和活性污泥可以實(shí)現(xiàn)不同的污泥齡(SRT)，滿足脫氮除磷的不同需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷，同時(shí)豐富了脫氮除磷形式[6]。在受到有機(jī)負(fù)荷沖擊時(shí)，系統(tǒng)中用于去除污染物的優(yōu)勢(shì)菌屬可以在生物膜中附著生長(zhǎng)，不易更替，菌群演變過程比較穩(wěn)定[7]。此外，耦合工藝比活性污泥法污泥容積指數(shù)(SVI)明顯降低，污泥沉降性能得到提高[8]。

相比單一的生物膜法，生物膜-活性污泥耦合工藝對(duì)化學(xué)需氧量(COD)的去除率從75%提升到80%以上，氨氮的去除率始終保持在90%以上[9]。陳月芳等[10]提高耦合工藝的水力沖擊負(fù)荷，出水CODCr穩(wěn)定在30 mg/L以下，平均去除率達(dá)到92%，出水氨氮和總氮(TN)也分別穩(wěn)定在5 mg/L和15 mg/L以下。在對(duì)傳統(tǒng)污水處理工藝脫氮升級(jí)改造中，相比同等規(guī)模的活性污泥工藝，采用耦合工藝達(dá)到硝化污泥齡所需的容器體積要小得多。在布魯姆菲爾德廢水回收設(shè)施的脫氮升級(jí)改造中，采用固定生物膜-活性污泥反應(yīng)器(IFAS)改造的成本約為900元/m3，與采用間歇曝氣、生物膜法以及潛水生物濾池(SBF)等改造方案相比成本最低[11]。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

生物膜-活性污泥耦合工藝不是將生物膜法與活性污泥法的簡(jiǎn)單疊加，因此，其去除機(jī)理較為復(fù)雜，關(guān)于生物膜的強(qiáng)化效果還存在爭(zhēng)議。汪君暉等[12]在研究中發(fā)現(xiàn)，生物膜對(duì)硝化作用的貢獻(xiàn)僅占5.5%。而欒志翔等[13]研究發(fā)現(xiàn)，懸浮載體上硝化菌群豐度是活性污泥的14倍。因此，耦合工藝的強(qiáng)化效果可能是反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)、填料形式、填充率等多種因素共同影響的結(jié)果。此外，關(guān)于該工藝的設(shè)計(jì)運(yùn)行無成熟的規(guī)范用于參考，由于處理水質(zhì)、研究性質(zhì)不同，關(guān)于運(yùn)行參數(shù)的研究等無一般性結(jié)論，很難應(yīng)用于工程實(shí)際中，只有通過工程試驗(yàn)和實(shí)際的工程應(yīng)用來驗(yàn)證選用的參數(shù)是否合理。如劉良軍等[14]在試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)采用分批掛膜投加的方式，根據(jù)實(shí)際流化效果確定最終填充率。

1.3 研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

生物膜-活性污泥耦合工藝多用于城市污水處理廠提標(biāo)改造以及難降解污水處理，旨在解決傳統(tǒng)工藝存在的問題，提高處理效果。工程應(yīng)用實(shí)例表明，生物膜-活性污泥耦合工藝具有多種形式，且可以應(yīng)用于不同形式的活性污泥工藝的提標(biāo)改造(表1～表2)。

表1 生物膜-活性污泥耦合工藝提標(biāo)改造應(yīng)用概述Tab.1 Overview of Application of Biofilm-Activated Sludge Coupling Process in Upgrading and Reconstruction

表2 生物膜-活性污泥耦合工藝在難降解污水處理中的應(yīng)用概述Tab.2 Overview of Application of Biofilm-Activated Sludge Coupling Process in Non-Degradable Wastewater Treatment

目前，更多研究關(guān)注載體的材質(zhì)，親水性能好、孔隙率高、比表面積大、密度接近于水的載體更有利于耦合工藝的運(yùn)行。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，新型材質(zhì)載體層出不窮，如新型斜發(fā)沸石載體[22]、飲用水處理中的沉淀污泥制成的陶粒載體[23]、椰子纖維載體[24]等，其各自特有的性質(zhì)促進(jìn)了生物膜中微生物的生長(zhǎng)，提高了處理效果。

2 BER

2.1 優(yōu)勢(shì)

BER在處理難生物降解或電解不完全的污廢水方面顯示了一定的優(yōu)勢(shì)。李天成等[25]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，BER對(duì)鉻離子(Cr3+)去除率為97%，較電化學(xué)法和生物膜法均提高了15%。通過比較電化學(xué)法、生物法和BER對(duì)2,4-二氯苯酚的降解，發(fā)現(xiàn)耦合工藝在48 h內(nèi)對(duì)2,4-二氯苯酚的去除率為100%，遠(yuǎn)高于使用純電化學(xué)和純生物工藝的62%和42%[26]。當(dāng)投加的載體為活性炭時(shí)，活性炭具有吸附作用，同時(shí)還可以作為第三電極，提高了電流效率，活性炭吸附、微生物降解、電化學(xué)降解的協(xié)同作用進(jìn)一步提高了系統(tǒng)對(duì)污染物的去除[27]。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

目前，BER尚有許多技術(shù)難點(diǎn)有待研究和解決。尋找合適的電極材料及快速有效的掛膜方法是該工藝能夠穩(wěn)定運(yùn)行需首要解決的問題。電極板同時(shí)作為導(dǎo)電材料和生物膜的載體，需要導(dǎo)電性良好、耐腐蝕、適合掛膜、廉價(jià)易得。為了不影響微生物的活性，電解電壓必須較低，同時(shí)，生物膜覆蓋在電極上在一定程度影響到電極上發(fā)生的反應(yīng)[30]。研究發(fā)現(xiàn)，生物膜的組成、形態(tài)、物理性質(zhì)和厚度對(duì)生物電的產(chǎn)生有著顯著的影響[31]。目前，還沒有關(guān)于反應(yīng)器電壓和生物膜厚度的確定范圍，如何培養(yǎng)處理適應(yīng)性強(qiáng)的生物菌種等也需要進(jìn)一步的研究。且BER對(duì)成分復(fù)雜、濃度高、毒性大的實(shí)際工業(yè)廢水的處理存在一定局限性[3]。

2.3 研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，BER多用于處理含重金屬離子或難生物降解等有毒有害污染物的污水(表3)。電場(chǎng)的存在促進(jìn)生物膜中微生物菌群對(duì)有機(jī)物的降解，且可有效降低生物膜吸附重金屬離子的負(fù)荷。隨著BER越來越多的應(yīng)用，掛膜方法和電極材料也不斷研發(fā)。同時(shí)，耦合工藝的形式結(jié)構(gòu)也在不斷改善以更好地發(fā)揮該工藝的優(yōu)勢(shì)。

表3 BER工藝的應(yīng)用概述Tab.3 Overview of Application of BER

3 生物膜-膜處理耦合工藝

3.1 優(yōu)勢(shì)

生物膜與傳統(tǒng)的微濾、超濾等膜過濾技術(shù)耦合，使系統(tǒng)的處理效果和污泥理化特性有所提高。填料流動(dòng)對(duì)膜表面的沖刷[37]，以及填料的投加引起的細(xì)胞外聚合物中可溶性微生物產(chǎn)物(SMP)含量的降低[38]，有效減輕了膜處理工藝普遍存在的膜污染問題。Mousaab等[39]投加生物載體在超濾膜反應(yīng)器中，COD、總懸浮固體(TSS)、揮發(fā)性懸浮固體(VSS)和TN的去除效率分別從87.9%、99.6%、97.5%和91.1%提高到93.2%、100%、99.9%和91.3%。相比于單一的膜處理工藝，耦合工藝的膜過濾操作時(shí)間幾乎延長(zhǎng)了1.5倍，隨著載體對(duì)膜的沖刷，膜過濾操作時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至8倍[37]。膜的定期化學(xué)清潔可以延長(zhǎng)到大約6個(gè)月[40]。

MABR的主要優(yōu)勢(shì)是節(jié)省能源成本、運(yùn)行穩(wěn)定安全、去除效率高。與傳統(tǒng)的鼓風(fēng)曝氣相比，MABR的無泡曝氣和生物膜的結(jié)合顯著提高了溶解氧(DO)的轉(zhuǎn)移和利用效率[41]，在處理含易揮發(fā)性物質(zhì)或表面活性劑污水時(shí)不會(huì)造成二次污染[42]。 Nerenberg[43]通過試驗(yàn)獲得中試規(guī)模的數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)表明，MABR的能源利用效率比傳統(tǒng)的活性污泥高出86%。不存在氣泡擾動(dòng)刮擦和機(jī)械攪拌等外部作用，生物膜可穩(wěn)定快速形成且結(jié)構(gòu)較為致密[42]。此外，由于DO和污染物從相反的面擴(kuò)散到生物膜上實(shí)現(xiàn)異向傳質(zhì)，致使生物膜產(chǎn)生功能性分層，使MABR可以同時(shí)高效去除COD和N[44]。

EMBR可以提取需要去除的目標(biāo)污染物進(jìn)行生物降解，對(duì)污水中的揮發(fā)、半揮發(fā)性有機(jī)污染物有較高的去除效率。同時(shí)，萃取膜隔離揮發(fā)性有機(jī)化合物和充氣氣體，使二者不會(huì)直接接觸從而避免環(huán)境污染。EMBR中廢水循環(huán)單元和生物降解單元相互獨(dú)立，微生物與廢水有效分離，生物代謝產(chǎn)物不會(huì)產(chǎn)生二次污染，操作管理方便，處理效果穩(wěn)定[45]。Livingston等[46]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在廢水與反應(yīng)器的接觸時(shí)間少于30 min的情況下，EMBR可去除99%以上的有毒有機(jī)污染物。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)

生物膜-膜處理耦合工藝的技術(shù)難點(diǎn)在于膜污染的解決、膜的研發(fā)、生物膜的研究。關(guān)于投加填料是否減輕膜污染存在爭(zhēng)議，Lee等[47]認(rèn)為，在膜生物反應(yīng)器中加裝固定彈性填料會(huì)加速、加重膜污染。絲狀菌存在于生物膜上，由生物膜形成的濾餅層厚且致密，絲狀菌對(duì)膜上的污垢有固定作用，從而加重膜污染[48]。是否能減輕膜污染可能與填料的種類、安裝形式有關(guān)。

MABR運(yùn)行中存在膜污染、膜造價(jià)過高等問題[49]。MABR中生物膜厚度的增加會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)阻力增加，降低處理效果[50]。關(guān)于MABR的研究主要集中在處理污水的性能上，生物膜的物理分層或不同污水特性和操作條件下硝化細(xì)菌的變化、微生物群落的整體多樣性尚不清楚[41]。

萃取膜價(jià)格高昂，膜較厚會(huì)導(dǎo)致阻力大,使?jié)B透通量小，而具有高選擇性的膜通常顯示出較低的滲透通量，因此，很難找到對(duì)特定污染物具有高選擇性且價(jià)格合適的膜。此外，污染物的反向滲透、膜的溶脹等問題會(huì)降低膜裝置的壽命，以上均影響了EMBR的商業(yè)應(yīng)用[5,45,51]。因?yàn)镈O和有機(jī)碳的擴(kuò)散受到生物膜厚度和結(jié)構(gòu)的影響，而生物膜過厚會(huì)大大降低有機(jī)化合物穿過膜的通量，運(yùn)行中也需要控制生物膜的生長(zhǎng)[52-53]。

3.3 研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

生物膜-膜處理耦合工藝在處理難生物降解以及含有有毒有害污染物的污水時(shí)表現(xiàn)出較好的去除效果(表4)。

表4 生物膜-膜處理耦合工藝的應(yīng)用概述Tab.4 Overview of Application of Biofilm-Membrane Treatment Coupling Process

隨著工業(yè)的進(jìn)步，對(duì)膜材質(zhì)的研究也得到了不斷的發(fā)展，耦合工藝的形式也不斷改進(jìn)。采用改性尼龍絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)MABR中的聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)中空纖維膜，降低成本，提高機(jī)械強(qiáng)度和親水性，不易堵塞[59]。將熱塑性聚氨酯(TPU)與電紡聚二甲基硅氧烷/聚甲基丙烯酸甲酯(PDMS/PMMA)混合以制造新型電紡TPU/PDMS/PMMA膜用于EMBR，可以在不損害膜性能的情況下改善機(jī)械性能[60]。Ren等[61]提出，通過PDMS涂覆的方法制取電紡PDMS膜，制備簡(jiǎn)單、分離效率高、性能穩(wěn)定，并且解決了EMBR在處理酚鹽廢水中的低機(jī)械性能、低傳質(zhì)和鹽漏的問題。EMBR中生物膜過厚會(huì)降低傳質(zhì)能力，處理受苯酚污染的鹽水時(shí)，生物膜過厚會(huì)導(dǎo)致苯酚傳質(zhì)減少42%，通過降低無機(jī)負(fù)載率和采用水下鼓泡充氣配置進(jìn)行膜洗滌，可以將苯酚傳質(zhì)減少限制在13%以內(nèi)[62]。

4 總結(jié)與展望

關(guān)于生物膜耦合工藝在污水處理中的研究與應(yīng)用已取得一定成果，但在我國(guó)的應(yīng)用時(shí)間較短，技術(shù)水平有待提高，存在許多需要改進(jìn)之處。隨著人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，生物膜耦合工藝在我國(guó)有很大的發(fā)展空間。關(guān)于國(guó)內(nèi)外生物膜耦合工藝的研究應(yīng)用的總結(jié)和對(duì)未來研究的展望可以歸結(jié)于以下幾點(diǎn)。

(1)生物膜-活性污泥耦合工藝具有強(qiáng)化脫氮除磷、提高抗沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，在城市污水處理廠的升級(jí)改造中得到了較多的應(yīng)用，投資成本少，應(yīng)用于處理難降解污水也取得了較好的處理效果。關(guān)于生物膜對(duì)耦合工藝的強(qiáng)化效果還存在爭(zhēng)議，未來可以更多的關(guān)注在其去除機(jī)理、微生物特性和運(yùn)行參數(shù)等方面的深入研究，致力于制定相應(yīng)的規(guī)范和研發(fā)充分發(fā)揮耦合工藝優(yōu)勢(shì)的反應(yīng)裝置。此外，耦合工藝中生物膜、活性污泥特性也有待于進(jìn)一步研究。

(2)BER結(jié)合了生物膜的微生物附著特性和電解法的氧化還原能力，對(duì)含重金屬離子或農(nóng)藥、氯化物等有害污染物的污水有較好的去除效果。該工藝也存在一些局限性，尋找有效的電極材料、有效的掛膜方式是亟需解決的問題。目前的研究多從電化學(xué)方面考慮，未來對(duì)生物膜特性的更深入的了解和對(duì)BER中生物膜去除機(jī)理的認(rèn)識(shí)可能會(huì)進(jìn)一步改善BER的性能。

(3)生物膜-膜處理耦合工藝結(jié)合了生物降解與膜分離技術(shù)，有效改善了污泥沉降性和膜結(jié)垢方面的問題。MABR、EMBR對(duì)含揮發(fā)、半揮發(fā)性污染物的污水有很好的處理效果，避免了二次污染，在節(jié)省能耗方面也有一定的優(yōu)勢(shì)。該工藝在現(xiàn)有膜處理工藝升級(jí)改造中應(yīng)用效果良好,但關(guān)于減輕膜污染方面還存在爭(zhēng)議，同時(shí)，膜性能等問題也影響了更廣泛的商業(yè)應(yīng)用。未來可以更多關(guān)注生物膜的掛膜與生長(zhǎng)管理，以及生物膜生物特性的研究，以促進(jìn)生物膜與不同形式的膜處理工藝更好的耦合。同時(shí)，對(duì)于膜材料的研發(fā)也是重中之重。

(4)生物膜法用于傳統(tǒng)污水處理改造中，操作簡(jiǎn)單方便，節(jié)省改造費(fèi)用，提高處理效果。關(guān)于生物膜耦合工藝的研究應(yīng)用不僅以上3種，如生物膜法與人工濕地處理系統(tǒng)、生態(tài)浮床的耦合等也取得了一定的成果。未來對(duì)現(xiàn)有污水處理工藝的升級(jí)改造可以更多地考慮生物膜耦合工藝的應(yīng)用。